Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Снигирева, Мария Геннадьевна

• Снигирева, Мария Геннадьевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Снигирева, Мария Геннадьевна

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Введение

1.2. Возможность разрешения, превышающего критерий Релея

1.3. Реализация сверхразрешения

1.4. Низкотемпературные зондовые приборы

1.5. Изучение 1-агрегатов цианиновых красителей

Глава 2. Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп

2.1. Общее описание прибора

2.2. Зонды

2.3. Датчик положения зонда

2.4. 2-подвижка

2.5. Пьезоэлектрический сканер

2.6. Оптическая система регистрации переизлученного света

2.7. Система охлаждения и регулировки температуры

2.8. Основные результаты Главы 2

Глава 3. Апробация низкотемпературного СБОМ

3.1. Методика получения изображений при комнатной температуре

3.2. Методика получения изображений при низкой температуре

3.3. Тестовые измерения. Калибровка ху-сканера

3.4. Основные результаты Главы 3

Глава 4. Изучение 1-агрегатов карбоцианиновых красителей

4.1. Изучение 1-агрегатов АЦК

4.2. Изучение .Г-агрегатов 3845

4.3. Основные результаты Главы 4

Выводы

Благодарности

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп»

Введение

Актуальность темы.

В последнее время активно ведутся исследования и разработки по приоритетным направлениям нанотехнологии и нанобиотехнологии с целью проектирования и определения характеристик систем с характерным размером в нано-метровом масштабе и создания устройств с применением нанотехнологии для изучения биологических систем. Для активного развития этих направлений, несомненную актуальность приобретает создание приборов, имеющих достаточное разрешение для получения изображения наноразмерных объектов, а также позволяющих исследовать их разнообразные физические свойства. В частности, оптическая визуализация и изучение оптических свойств наноразмерных объектов, представляют собой актуальные, но нетривиальные по сложности экспериментальные задачи.

В дифракционной оптике предполагается, что при получении оптического изображения существует фундаментальное ограничение на разрешение, определяемое дифракционным пределом - Л/2, где Л — длинна волны света. Однако, как было показано, используя затухающие в 2-х направлениях волны, стало возможным создать сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ), разрешающая способность которого не имеет ограничений связанных с дифракцией. Если расстояние г от зонда, имеющего радиус диафрагмы а, до поверхности образца удовлетворяет условию а< X, г « А., то размер светового пятна на образце будет близок к размеру диафрагмы. При перемещении зонда вдоль поверхности образца возможна реализация оптического изображения объекта не ограниченного дифракцией. Такое изображение может быть получено в конфигурациях регистрации оптического сигнала: на пропускание, или на отражение.

Достигнутое разрешение, например, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра составляет примерно 12 нм. Таким образом, СБОМ является уникальным и единственным прибором, позволяющим получать оптическое изображение с разрешением лучшим, чем А/43.

Еще одним значительным преимуществом СБОМ является возможность изучения свойств наноразмерных объектов без их деформации и разрушения. Это свойство прибора обеспечивается безопасным расстоянием между зондом прибора и образцом. Очевидной областью применения данного прибора становятся биологические объекты, имеющие характерные размеры порядка 50 нм. Кроме того, в ряде работ было показано, что с помощью прибора можно получать изображения не только твердых образцов, но и объектов, находящихся в воде. Важным примером подобного объекта может быть клетка в естественной жидкой среде. Поскольку структура клетки не разрушается во время измерений, прибор позволяет наблюдать динамику системы.

СБОМ представляется особенно привлекательной методикой для исследования морфологии и локальных оптических свойств флуоресцирующих наномо-лекулярных объектов. Наиболее перспективными на данный момент представляются задачи по изучению квантовых наноструктур и эффектов самоорганизации. Однако, известно, что квантовый выход флуоресценции, как правило, критически зависит от температуры, и исследование оптических свойств большинства наноразмерных объектов возможно только при понижении температуры. Изучение фундаментальных задач такого рода представляется возможным с использованием низкотемпературного СБОМ.

Представленная диссертация посвящена разработке, изготовлению и апробации низкотмепературного сканирующего ближнепольного оптического микроскопа.

Целью диссертационной работы является

• разработка и изготовление низкотемпературного сканирующего ближнепольного оптического микроскопа (СБОМ) для изучения наноструктур в расширенном диапазоне температур 1.8 - 300 К.

• разработка методики и апробация низкотемпературного СБОМ для изучения широкого класса объектов, в том числе для изучения образцов, в которых малость квантового выхода фотолюминесценции при комнатных температурах не позволяет получить их оптическое изображение.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Разработан и изготовлен низкотемпературный сканирующий ближне-польный оптический микроскоп для изучения наноструктур в расширенном диапазоне температур 1.8-300 К, позволяющий получать одновременно информацию о топографии образца методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) и его оптических свойствах методом сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (СБОМ).

• Создана универсальная конструкция z-подвижки, обеспечивающей ускоренный подвод зонда к образцу, как при комнатных, так и при низких температурах. Экспериментально подобраны основные параметры функционирования подвижки. Подобрана и оптимизирована форма управляющего напряжения.

• Разработана методика получения АСМ и СБОМ изображений в низкотемпературном сканирующем ближнепольном оптическом микроскопе в диапазоне температур 1.8 — 300 К.

• Разработана методика калибровки ху-сканера в широком диапазоне температур на основе получения тестовых изображений решетки алюминия на стекле.

• Методами ACM и СБОМ изучены образцы J-агрегатов карбоцианино-вого красителя C8S3. Благодаря проведенным измерениям удалось предложить их наиболее вероятную морфологическую структуру.

• Методами АСМ и СБОМ изучены образцы пленок J-агрегатов карбо-цианинового красителя 3845. В данном эксперименте было получено разрешение АСМ-моды низкотемпературного СБОМ по оси z — 3±1 (нм), что находится на уровне лучших мировых стандартов.

• Методами низкотемпературного СБОМ изучена зависимость сигнала флуоресценции пленок J-агрегатов карбоцианинового красителя 3845 от температуры. Показано, что флуоресценция значительно возрастает при низкой температуре, что позволяет провести поляризационные измерения оптических свойств J-агрегатов карбоцианиновых красителей с повышенным контрастом.

Научная новизна:

• Впервые изготовлен низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп, в котором для охлаждения образца в диапазоне температур 1.8 - 300 К используется гелиевый криостат заливного типа с откачкой. Прибор позволяет получать оптические изображения объектов с высоким разрешением. Это достигается благодаря использованию схемы с возбуждением образца через зонд и сбором отраженного и переизлученного света с помощью светосильного зеркального объектива, которые расположены по одну сторону от образца. Данная конфигурация позволяет применить аналитический прибор к большой области задач, требующих изучения оптических эффектов в области низких температур.

• Впервые изготовлена конструкция z-подвижки с минимальными размерами, что необходимо для ее размещения в криостате. Данная подвижка

обеспечивает подвод зонда к образцу за минимальное время во всем диапазоне температур функционирования микроскопа 1.8 — 300 К.

• Методами АСМ и СБОМ изучены структуры одиночных J-агрегатов кар-боцианинового красителя C8S3. Определены ключевые структурные параметры и предложена наиболее вероятная морфологическая структура J-агрегатов.

• Впервые с применением изготовленного низкотемпературного СБОМ получены АСМ и СБОМ изображения пленок J-агрегатов карбоцианинового красителя 3845 в широком диапазоне температур. Изучена зависимость сигнала флуоресценции пленок J-агрегатов карбоцианинового красителя 3845 от температуры. Получено значительное усиление интенсивности флуоресценции при низких температурах.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в реализации принципиально новых функциональных возможностей СБОМ, позволяющих проводить исследование свойств наноразмерных объектов в широком диапазоне температур, включая низкие (гелиевые) температуры.

Достоверность изложенных в работе результатов подтверждена получением патента РФ: патент № 2011103779, приоритет полезной модели 03 февраля 2011, зарегистрировано 27 июля 2011. Авторы М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, А. В. Шарков, Е. И. Демихов. А также сравнительным анализом полученных в работе СБОМ и АСМ изображений того же образца J-агрегатов красителя 3845, снятых с помощью прибора MultiMode с контроллером Nanoscope-IV (Veeco, США); согласованностью полученных данных (где это представлялось возможным) с результатами других авторов; публикациями в рецензируемых ведущих научных журналах и докладами на российских и международных конференциях.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. М. Г. Петрова, Д. Хвостова, А. В. Багдинов, А. Дейнека, Ф. А. Пудо-нин, Е. И. Демихов, Н. Н. Ковалева «Исследование эффектов слабой локализации в пленках Та методами ёс транспорта и спектроскопической эллипсометрии» XIXмеждународный симпозиум по нанофизике и наноэлектронике, Нижний Новгород, Россия, 2015.

2. А. В. Багдинов, Н. Н. Ковалева, О. Ступаков, Ф. А. Пудонин, М. Г. Петрова, А. Дейнека, Е. И. Демихов «Магнитные свойства наноостро-вов пермаллоя Ре20№80» XVIII международный симпозиум по нанофизике и наноэлектронике, Нижний Новгород, Россия, 2014.

3. М. Г. Петрова, В. В. Прохоров, С. И. Позин, Н. Н. Ковалева, Е. И. Демихов «Изучение .Г-агрегатов карбоцианиновых красителей методами атомно-силовой и сканирующей ближнепольной оптической микроскопии» XIV Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Москва, Россия, 2014.

4. М. Г. Петрова, В. В. Прохоров, А. В. Багдинов, Н. Н. Ковалева, Е. И. Демихов «Изучение Т-агрегатов карбоцианиновых красителей методами атомно-силовой и сканирующей ближнепольной оптической микроскопии» XVIII международный симпозиум по нанофизике и наноэлектронике, Нижний Новгород, Россия, 2014.

5. М. Г. Петрова, В. В. Прохоров, Н. Н. Ковалева, Е. И. Демихов «Изучение .Г-агрегатов карбоцианиновых красителей методами атомно-силовой и сканирующей ближнепольной оптической микроскопии», Международная конференция-конкурс молодых физиков, Москва, Россия, 2014.

6. M. G. Petrova, V. V. Prokhorov, N. N. Kovaleva, E. I. Demikhov «Scanning Near-field Optical Microscopy and AFM of J-aggreigates» 21-st Conference on Composites/nano Ingineering, Tenerife, Spain, 2013.

7. M. G. Petrova, G. V. Mishakov, A. V. Sharkov, E. I. Demikhov «4-300 К Scanning Near-Field Optical Microscope» International Conference on Near-Field Optics, Nanophotonics and Related Techniques, Donostia - San Sebastian, Spain, 2012.

8. M. G. Petrova, G. V. Mishakov, A. V. Sharkov, E. I. Demikhov «Low-temperature near-field optical scanning microscope for nanotechnology application» 23st International Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference, Wroclaw, Poland, 2010.

9. M. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, А. В. Шарков, Е. И. Демихов «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп КриоСБОМЮ1» XIII Школа молодых ученых «Актуальные проблемы физики», Звенигород, Россия, 2010.

10.М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, А. В. Шарков, Е. И. Демихов «Система позиционирования зонда в низкотемпературном сканирующем ближ-непольном оптическом микроскопе» 4 Всероссийской конференции молодых ученых «Микро-наноэлектроника», Черноголовка, Россия, 2010.

11.М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, А. В. Шарков, Е. И. Демихов «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп КриоСБОМЮ1» XIV международный симпозиум по нанофизике и наноэлектронике, Нижний Новгород, Россия, 2010.

12. М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, А. В. Шарков, Е. И. Демихов «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп КриоСБОМЮ!» III Всероссийская молодежная школа-семинар с

международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики», Москва, Россия, 2009.

13. М. Г. Петрова, Е. И. Демихов «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп» 52 начная конференция МФТИ, Москва, Россия, 2009.

Личный вклад. Разработка, сборка и испытания прибора проводились при активном участии автора. Все экспериментальные результаты были получены при личном участии автора. Все СБОМ изображения образцов получены автором лично. Определение общего направления работы и обсуждение получаемых результатов проводилось совместно с научным руководителем.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в следующих публикациях в журналах из списка ВАК:

1. N. N. Kovaleva, D. Chvostova, А. V. Bagdinov, М. G. Petrova, Е. I. Demikhov, F. A. Pudonin and A. Dejneka «Interplay of electron correlations and localization in disordered B-tantalum films: Evidence from dc transport and spectroscopic ellipsometry study», Applied Physics Letters, V. 106, (2015) 051907.

2. M. G. Petrova, V. V. Prokhorov, S. I. Pozin, N. N. Kovaleva, E. I. Demikhov «Atomic force and scanning near-field optical microscopy study of carbocya-nine dye J-aggregates», Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics, V. 78, No. 12(2014) 1362.

3. V. V. Prokhorov, M. G. Petrova, N. N. Kovaleva, E. I. Demikhov «Atomic force and scanning near-field optical microscopy study of carbocyanine dye J-aggregates», Current Nanoscience, V. 10, Iss. 5 (2014) 700.

4. М. Г. Петрова, В. В. Прохоров, Н. Н. Ковалева, Е. И. Демихов «Изучение 1-агрегатов карбоцианиновых красителей методами атомно-силовой и сканирующей ближнепольной оптической микроскопии», Физическое образование в ВУЗах, Т. 20, N0 1С (2014) 19.

5. Л. Н. Жерихина, М. Г. Петрова, А. М. Цховребов, И. В. Берлов «О возможности использования криоволоконного интерферометра в качестве детектора гравитационных волн», Краткие сообщения по физике ФИАН, Т. 6(2013)31.

6. М. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, Е. И. Демихов, А. В. «Низкотемпературный сканирующий ближнепольный оптический микроскоп Крио-СБОМЮ1», Краткие сообщения по физике ФИАН, Т. 9 (2010) 24.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, первой из которых является литературный обзор, и заключения. Полный объем диссертации 1122 страниц текста с 72 рисунками и 3 таблицами. Список литературы содержит 96 наименований.

Глава 1. Литературный обзор 1.1. Введение

Впервые на возможность получения разрешения, превосходящее ограничение Релея, обратили внимание в 1928 г. Статья, получившая одобрение Эйнштейна, была опубликована в одном из ведущих физических журналов [1]. Ключевые идеи, изложенные в статье, намного опередили технические возможности того времени и не были использованы. В 1984 г. группа ученых из лаборатории IBM в Цюрихе, в которой был создан и первый сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), реализовала разрешение А/20 в опытах со светом видимого диапазона [2]. В этой работе новый прибор был назван «оптический стетоскоп». В качестве оптического зонда в приборе использовали кристаллы кварца с радиусом острия 30 нм, на которые напыляли металлическое покрытие толщиной до 1 мкм. Для формирования отверстия на кончике зонда, его вдавливали в поверхность образца до появления света на кончике зонда. Процесс сканирования заключался в перемещении зонда к заданной точке, подводе зонда к образцу до появления электрического контакта, измерении, отводе. Основным недостатком данной работы является отсутствие оптического изображения, что можно связать с отсутствием системы стабилизации расстояния между зондом и образцом. Одновременно, похожая схема работы прибора была предложена другой группой из университета Корнелл [3]. В следующих вариантах сканирующих ближнепольных микроскопов для поддержания заданного расстояния между зондом и образцом использовался туннельный ток [4] и другие методики [5], [6].

Уникальные возможности СБОМ были продемонстрированы в различных областях, включая физику твердого тела, технику записи и считывания инфор-

мации, биологию и др. [7]. С помощью СБОМ на магнитооптических средах была достигнута плотность записи, на порядок превышающая возможности стандартных оптических методов [8]. При сочетании технических приемов СТМ и СБОМ удалось повысить разрешение деталей формируемого на поверхности рельефа до 10 нм [9]. Большой интерес представляют собой изучение химических образцов с флуоресцентными метками [10], [11], возможность проведения химического анализа образцов с использованием минимума реагентов [12], [13]. В микробиологии при помощи СБОМ изучают свойства одиночных вирусов, нейронов, а также органических молекул [14], [15]. Прибор отлично зарекомендовал себя также при изучении клеток человека [16]. Наиболее перспективными направлениями с применением СБОМ представляются исследования одиночных молекул и их спектров [17], [18]. Сканирующая ближнеполь-ная оптическая спектроскопия была также успешно применена в изучении квантовых нанобъектов: ям [19], нитей [20] и точек [21].

1.2. Возможность разрешения, превышающего критерий Релея

Возможность разрешения, превышающего дифракционный предел, обусловлена использованием сферических волн [22]. При рассеянии фотонов в

максимальном диапазоне углов — ~<(р<^, Арх = ЬАкх = 2Нкх.

2 2

Принцип неопределённости Гейзенберга для фотона диктует, что Арх Ах > -. При этом волновой вектор удовлетворяет равенству: к2 = кх + ку + При свободном распространении все компоненты /:-вектора действительные, ни одна из них не может превышать к. Ограничивая одну из компонент волнового вектора, можно варьировать другие.

Например: ку = 0, к2 = —¿у тогда кх = (к2 — к.2у ={к2 + у2у > к. Таким образом, неограниченно увеличивая у, Ад: может быть сколь угодно большим.

Мнимым к соответствуют затухающие волны. Чаще используют волны, затухающие в 2-х направлениях. Т.к. они затухают очень быстро, необходимо исследовать их близко к поверхности (ближнее поле).

Большой интерес представляют теоретические работы [23], [24], в которых рассматривается вопрос прохождения света через диафрагму меньшего размера, чем длина волны излучения.

1.3. Реализация сверхразрешения

Основные стадии получения изображения:

1. Луч лазера через согласующий оптический элемент попадает в заострённое металлизированное волокно, на выходе его диаметр сужается до размеров диафрагмы зонда.

2. Взаимное перемещение острия зонда и образца в трёх измерениях осуществляется при помощи пьезодвижителей.

3. Прошедшие через образец, отражённые, рассеянные или переизлученные фотоны собираются объективом и регистрируются фотоумножителем.

Схема сканирующего ближнепольного оптического микроскопа в геометрии на пропускание наглядно иллюстрирует устройство и принцип работы СБОМ (см. Рис. 1. В схеме возбуждающее излучение проходит через зонд, а сигнал СБОМ собирается с противоположной стороны образца с помощью объ-

ектива. На практике же используются несколько конструктивных схем ближне-польного оптического микроскопа [25]. Основные конфигурации СБОМ показаны на Рис. 2. Наиболее часто реализуется схема, в которой оптическое излучение лазера локализуется в пространстве с помощью оптического волоконного зонда. Такая схема позволяет получить максимальную мощность излучения в области субволнового отверстия и проводить исследования образцов как на отражение, так и на пропускание. Для увеличения чувствительности, излучение, отраженное от образца или прошедшее сквозь образец, собирается на фотоприемнике с помощью фокусирующего зеркала или линзы. Такая конфигурация СБОМ широко используется в том числе в экспериментах по ближнепольной оптической литографии [26].

Рис. 1. Схема ближнепольного оптического микроскопа с методикой стабилизации положения зонда типа «shear force» [5].

-ц—И-

излучение сбор излучение отражение отражение

и сбор и сбор

Рис. 2. Возможные конфигурации ближнепольного оптического микроскопа.

При исследовании локальных нелинейных свойств образцов, реализуется схема, в которой мощное лазерное излучение направляется на исследуемую структуру, а прием осуществляется с помощью ближнепольного зонда. Интересная, но менее распространенная схема, в которой возбуждение структуры и прием ближнепольного излучения осуществляются через зонд микроскопа. Более подробно различные конфигурации СБОМ описаны в обзоре [27].

Зонд является ключевым элементом СБОМ. Существует несколько видов зондов, используемых в СБОМ. Зонды изготавливаются либо методом механического вытягивания оптического волокна при контролируемом нагреве и растяжении [28], либо методом химического травления [29]. Наиболее перспективным является зонд на основе адиабатически-суженного одномодового оптического волокна, покрытого тонкой металлической пленкой и имеющего малую апертуру его острия [30]. Одномодовость оптического волокна необходима для эффективного преобразования его фундаментальной моды HEI 1 в моду ТЕ 11 цилиндрического металлического волновода, имеющую наименьший критический диаметр. Для заполненного кварцем цилиндрического металлического волновода при длине волны излучения 0.5 мкм критический диаметр равен 0.21 мкм для ТЕ11 моды и возрастает до 0.28-0.35 мкм для последующих мод [31]. Таким образом, прохождение через апертуру высших мод излучения мало. Угол сужения зонда также важен для его характеристик, так как, с одной стороны,

его необходимо сделать плавно сужающимся для уменьшения отражения и лучшей локализации световой волны, с другой - слишком медленное сужение приводит к увеличению омических потерь на его стенках. Оптимальным углом сужения зонда считается угол —10° между осью волокна и его границей.

Другой вариант зонда для СБОМ изготавливается на основе кремниевого кантилевера для атомно-силовой микроскопии АСМ [32], [33]. В работе [33] методом анизотропного травления на поверхности кантилевера вытравливается острая пирамида (с углом 56° на острие), которая затем покрывается тонким слоем металла методом углового напыления, оставляя малую апертуру на острие, после чего кремний из-под металла удаляется. При работе микроскопа излучение с помощью оптической системы фокусируется на апертуру зонда. Преимуществом данного зонда по сравнению с зондом на основе оптического волокна является возможность вводить в зонд большую мощность излучения, так как такая система имеет больший теплоотвод. Недостатком данного зонда является отсутствие плавной локализации излучения, что приводит к уменьшению коэффициента прохождения оптического излучения. Кроме того, необходима точная фокусировка оптического излучения на апертуру, что усложняет работу. Поэтому более широкое применение находит зонд на основе оптического волокна.

Зонд СБОМ определяет как разрешение микроскопа, так и возможности его применения для различных приложений. В настоящее время интенсивно ведутся работы по совершенствованию существующих зондов и разработке зондов, работающих на новых принципах [34].

Некоторые научные группы продвинулись в решении задачи по увеличению разрешающей способности прибора и расширению свойств возбуждающего излучения. Было предложено поместить на кончик оптического зонда активный нано-излучатель [35]. В качестве таких излучателей использовали наноча-

стицы оксида УАО:Се3+ [36], одиночные молекулы терилена [37], центры окрашивания в тонких пленках ЫБ [38] ив алмазах [39], СёБе квантовые точки [40] [41] [42] и стеклянные микрочастицы, допированные редкими землями

[43].

Для контроля расстояния зонд - образец и перемещения зонда в плоскости образца используют сканирующие элементы. Для СБОМ сканеры изготавливают из пьезоэлектриков - материалов, меняющих размеры во внешнем электрическом поле. Широкое распространение получили трубчатые пьезоэлемен-ты. Они позволяют производить достаточно большие перемещения объектов при относительно небольших управляющих напряжениях. Например, в работе

[44] показано, что для трубки из пьезокерамики Р2Т-5Н длиной и диаметром по 12.7 мм, и толщиной стенок 1.02 мм, деформация трубки составляет 28 А при напряжении в 1 В. Соединение трех трубок в один узел позволяет организовать прецизионные перемещения зонда микроскопа в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Такой сканирующий элемент называется триподом. Из-за ряда недостатков более распространенным элементом стал сканер на основе одной пьезотрубки [45]. Общий вид трубчатого пьезосканера и схема расположения электронов представлены на Рис. 3. Материал трубки имеет радиальное направление вектора поляризации.

1 Т

Ду

Рис. 3. Трубчатый пьезосканер [44].

Внутренний электрод делают сплошным. Внешний электрод сканера разделен на четыре секции по образующим цилиндра. При подаче противофазных напряжений на противоположные секции внешнего электрода (относительно внутреннего) происходит сокращение участка трубки в том месте, где направление поля совпадает с направлением поляризации, и удлинение там, где они направлены в противоположные стороны. Это приводит к изгибу трубки в соответствующем направлении, осуществляется сканирование в плоскости х,у. Изменение потенциала внутреннего электрода относительно всех внешних секций приводит к удлинению или сокращению трубки по оси z. Таким образом, можно реализовать трехкоординатный сканер на базе одной пьезотрубки [44]. По сравнению с триподом такой сканер обладает более высокой электромеханической константой, высокими резонансными частотами и меньшим размером.

К числу необходимых узлов СБОМ относится сенсорная схема, реагирующая на изменение расстояния между зондом и образцом. В большинстве ближнепольных микроскопов для получения обратной связи использовался сигнал, связанный с изменением параметров колебаний острия зонда в плоскости, параллельной поверхности (например, [5]). Такой режим работы был назван авторами «метод сил бокового сдвига» («shear force mode»). Возбуждение колебаний осуществлялось специальным пьезоэлементом, прикрепленным к зонду. Для регистрации использовался оптический сигнал микроскопа, из которого с помощью синхронного детектора выделялись компоненты, связанные с амплитудой и фазой колебаний острия зонда.

В 1995 году было предложено использовать вместо оптической регистрации колебаний зонда кварцевый камертон, который применяется в качестве времязадающего элемента в электронных часах [28]. Чувствительным элементом служит кварцевая пластинка в форме вилки с резонансной частотой, составляющей несколько десятков килогерц (Рис. 4. ). Вилку, с приклеенным к

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Снигирева, Мария Геннадьевна, 2015 год

Список литературы

[1] Е. Synge, Phil. Mag., vol. 6, pp. 356-362, 1928.

[2] D. W. Pohl, W. Denk and M. Lanz, Appl.Phys.Lett., vol. 44, pp. 651-654, 1984.

[3] A. Lewis, M. Isaacson, A. Harootunian and A. Murray, Ultramicroscopy, vol. 13, pp. 227-231, 1984.

[4] U. Durig, D. W. Pohl and F. Rohner, J. Appl. Phys., vol. 59, pp. 33183327, 1986.

[5] E. Betzig, P. Finn and S. Weiner, Appl. Phys. Lett., vol. 60, pp. 2484-2486, 1992.

[6] R. Toledo-Crow, P. Yang, Y. Chen and M. Vaez-Iravani, Appl. Phys. Lett., vol. 60, pp. 2957-2959, 1992.

[7] E. Betzig and J. K. Trautman, Science, vol. 257, pp. 189-195, 1992.

[8] E. Betzig and J. K. Trautman , J.Appl.Phys., vol. 73, pp. 5791-5797, 1993.

[9] K. Dickmann and J. Jersch, Laser und Optoelektronik, vol. 27, pp. 76-83, 1995.

[10] M. Garcia-Parajo, et al., Bioimaging, vol. 6, p. 43, 1998.

[11] N. van Hülst, J. Chem. Phys., vol. 112, p. 7799, 2000.

[12] A. Bernard, et al., Langmuir, vol. 14, p. 2225, 1998.

[13] W. Trabesinger, et al., Anal. Chem., vol. 71, p. 279, 1999.

[14] R. U. Maheswari, H. Tatsumi, Y. Katayama and M. Ohtsu, Opt. Commun., vol. 120, pp. 325-334, 1995.

[15] L. A. Nagahara, H. Yanagi and H. Tokumoto, Nanotechnolog)>, vol. 8, pp. A50-A53, 1997.

[16] L. Andofi, et al., J. Microsc., vol. 249, no. 3, pp. 173-183, 2013.

[17] J. K. Trautman, J. J. Macklin, L. E. Brus and E. Bctzig, Nature, vol. 369, pp. 40-42, 1994.

[18] R. Dunn, Chem.Rev., vol. 99, pp. 2891-2927, 1999.

[19] P. A. Crowell, D. K. Young, S. Keller, E. L. Hu and D. D. Awschalom, Appl. Phys. Lett., vol. 72, pp. 927-929, 1998.

[20] L. Chu, A. Zrenner, G. Bohrn and G. Abstreiter, Appl. Phys. Lett., vol. 75, pp. 3599-3601, 1999.

[21] A. Chavez-Pirson, J. Temmyo, H. Kamada, H. Gotoh and H. Ando, Appl. Phys. Lett, vol. 72, pp. 3494-3496, 1998.

[22] D. W. Pohl, Phil Trans. R. Soc. Lond. A, vol. 362, pp. 701-717, 2004.

[23] D. van Labeke and D. Barehiesi, "Theoretical Problems in Scanning Near-Field Optical Microscopy," in Near Field Optics, Springer Netherlands, 1993, pp. 157-178.

[24] L. Novotny, D. W. Pohl and P. Regli, J. Opt. Soc. Am. A, vol. 11, no. 6, pp. 1768-1779, 1994.

[25] В. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии, М.: Техносфера, 2005.

[26] М. К. Herndon, R. Т. Collins, R. Е. Mollingsworth, P. R. Larson and М. В. Johnson, Appi Phys. Lett. , vol. 74, pp. 141-143, 1991.

[27] D. Courjon and C. Bainier, Rep. Prog. Phys., vol. 57, pp. 989-1028, 1994.

[28] R. Karrai and R. Grober, Appl. Phys., vol. 66, pp. 1842-1844, 1995.

[29] V. V. Dryakhlushin, A. Y. Klimov, V. V. Rogov and S. A. Gusev, Instrum. andExperim. Techniques, vol. 41, no. 2, pp. 138-139, 1998.

[30] G. A. Valaskovic, M. Holton and G. H. Morrison, Appl Opt., vol. 34, pp. 1215-1228, 1995.

[31] G. A. Valaskovich, M. Holion and G. H. Morrison, Appl. Optics, vol. 34, pp. 1215-1228, 1995.

[32] N. F. van Hülst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack and F. B. Segerink, Appl. Phys. Lett., vol. 62, no. 5, pp. 461-463, 1993.

[33] D. Zeisel, S. Nettesheim, B. Dutoit and R. Zenobi, Appl. Phys. Lett., vol. 68, pp. 2491-2492, 1996.

[34] В. Ф. Дряхлушин, В. П. Вейко и Н. Б. Вознесенский, Квант, электроника, т. 37, № 2, р. 193—203, 2007.

[35] J. Michaelis, С. Hettich, J. Mlynek and V. Sandoghdar, Nat. Lond., vol. 405, pp. 325-328, 2000.

[36] A. Cuche, et al., Nanotechnology, vol. 20, pp. 015603-1-015603-6, 2009.

[37] J. Michaelis, C. Hettich, J. Mlynek and V. Sandoghdar, Nature, vol. 405, pp. 325-328, 2000.

[38] S. K. Sekatskii, G. Dietler, F. Bonfigli, S. Loreti, 'Г. Marolo and R. M. Montereali, J. Lumin., vol. 122/123, pp. 362-364, 2007.

[39] S. Kühn, C. Hettich, C. Schmitt, J. P. Poizat and V. Sandoghdar, J. Microsc., vol. 202, pp. 2-6, 2001.

[40] N. Chevalier, et al., Nanotechnology, vol. 16, pp. 613-618, 2005.

[41] G. T. Shubeita, et al., J. Microsc., vol. 210, pp. 274-278, 2003.

[42] H. Wang, et al., Opt. Commun., vol. 281, pp. 1588-1592, 2008.

[43] L. Aigouy, Y. D. Wilde and M. M., Appl. Phys. Lett., vol. 83, pp. 147-149, 2003.

[44] C. J. Chen, Appl. Phys. Lett., vol. 60, по. 1, pp. 132-134, 1992.

[45] G. Binnig and D. Р. E. Smith, Rev. Sei. Instrum., vol. 57, pp. 1688-1689, 1986.

[46] N. N. Kovaleva, D. Chvostova, А. V. Bagdinov, M. G. Petrova, E. I.

Demikhov, F. A. Pudonin and A. Dejneka, Apll. Phys. Leit., vol. 106, p. 051907, 2015.

[47] C. Gerber, G. Binnig, H. Fuchs, O. Marti and FI. Rohrer, Rev. Sei. Instum., vol. 57, pp. 221-224, 1986.

[48 [49

[50 [51

[52

[53

[54

[55

[56

[57

[58

[59

[60

D. W. Pohl, Rev. Sei. Instrum., vol. 58, по. 1, pp. 54-57, 1987.

C. Renner, P. Niedermann, A. D. Kent and 0. Fisher, Rev. Sei. Instrum., vol. 61, pp. 965-967, 1990.

«http://www.attocube.com/,» [В Интернете].

К. G. Vandervoort, R. K. Zasadzinski, G. G. Galicia and G. W. Crabtree, Rev. Sei. Instrum., vol. 64, pp. 896-899, 1993.

D. V. Pelekhov, J. B. Becker and G. Nunes, Appl. Phys. Lett., vol. 72, no. 8, pp. 993-995, 1998.

N. Moussy, H. Courtois and B. Pannetier, Rev. Sei. Instr., vol. 71, по. 1, pp. 128-131, 2001.

C. Meyer, O. Sqalli, FI. Lorenz and K. Karrai, Rev. Sei. Instr., vol. 76, pp. 063706-1 - 063706-5,2005.

R. D. Grober, T. D. Flarris and J. K. Trautm, Rev. Sei. Instrum., vol. 65, no. 3, pp. 626-631, 1993.

G. Behme, A. Richter, M. Süptitz and C. Lienau, Rev. Sei. Instrum., vol. 68, pp. 3458-3463, 1997.

A. Kramer, J.-M. Segura, A. Flunkeler, A. Renn and B. Flecht, Rev. Sei. Instr., vol. 73, no. 8, pp. 2937-2941, 2002.

M. Г. Петрова, Г. В. Мишаков, Е. И. Демихов и А. В. Шарков, Краткие сообщения по физике ФИАН, т. 9, рр. 24-29, 2010.

E. И. Демихов, А. В. Шарков, Г. В. Мишаков и М. Г. Петрова.РФ Патент 2011103 779, 03 02 2011.

М. Г. Петрова, В. В. Прохоров, FI. Ii. Ковалева и Е. И. Демихов,

Физическое образование в ВУЗах, т. 20, № 1С, pp. 19-20, 2014.

[61] V. V. Prokhorov, М. G. Petrova, N. N. Kovaleva and E. 1. Demikhov, Curr. Nanosci., vol. 10, no. 5, pp. 700-704, 2014.

[62] M. G. Petrova, V. V. Prokhorov, S. I. Pozin, N. N. Kovaleva and E. I. Demikhov, Bull. ofRAS, Physics, vol. 78, no. 12, pp. 1362-1336, 2014.

[63] К. С. E. Миз и Т. X. Джеймс, Теория фотографического процеса, Ленинград: Химия, 1973.

[64] Н. Kuhn and С. Kuhn, in J-aggregates, Singapore, Т. Kobayashi, Ed.; World Scientific. V., 1996, pp. 1-40.

[65] A. Mishra, R. Behera, P. Behera, B. Mishra and G. Behera, С hem. Rev., vol. 100, pp. 1973-201 1,2000.

[66] F. Wurthner, T. Kaiser and C. Saha-Muller, Angew. Chem. Int. Ed., vol. 50, pp. 3376-3410, 2011.

[67] Б. И. Шапиро, «Молекулярные ансамбли полиметиновых красителей,» Успехи химии, т. 5, № 75, pp. 484-510, 2006.

[68] А. Н. Herz, Adv. Colloid Interface Sci., vol. 8, no. 4, pp. 237-298, 1977.

[69] V. Czikkely, H. Forsterling and FI. Kuhn, Chem. Phys. Lett., vol. 6, pp. 1114, 1970.

[70] В. И. Авдеева и Б. И. Шапиро, Журн. науч. и прикп. фотографии, т.

44, р. 20, 1999.

[71] В. И. Авдеева и Б. И. Шапиро, Жури, научн. и прикл. фотографии, т.

45, р. 27, 2000.

[72] М. V. Alfimov, A. A. Shtykova and V. F. Razumov, High Energy Chemistry, vol. 40, pp. 18-21, 2006.

[73] G. Zhang and M. Liu, J. Phys. Chem. (B), vol. 112, pp. 7430-7437, 2008.

[74] S. F. Mason, Proc. Chem. Soc., pp. 119-120, 1964.

[75] H. Yao, Ann. Rep. Prog. Chem. Sect. C, vol. 100, pp. 99-148, 2004.

[76] Ii. von Berlepsch, S. Kirstein, R. Iiania, A. Pugzlys and C. Böttcher, J. Phys. Chem. B, vol. 111, pp. 1701-1711,2007.

[77] H. von Berlepsch, E. Brandenburg, B. Koksch and C. Böttcher, Langmuir, vol. 26, pp. 11452-11460, 2010.

[78] V. Prokhorov, E. Mal'tsev, O. Perelygina, D. Lypenko, S. Pozin and A. Yannikov, Nanotechnology in Russia, vol. 6, pp. 286-297, 2011.

[79] V. Prokhorov, S. Pozin, D. Lypenko, O. Perelygina, E. Mal'tsev and A. Vannikov, Chem. Phys. Lett., vol. 535, pp. 94-99, 2012.

[80] V. Prokhorov, S. Pozin, D. Lypenko, O. Perelygina, E. Mal'tsev and A. Vannikov, Macroheterocycles, Vols. 5 (4-5), pp. 371-375, 2012.

[81] D. Iiiggins, K. Kerimo, D. Vanden Bout and P. Barbara, J. Am. Shem. Soc., vol. 118, pp. 4049-4058, 1996.

[82] D. Eisele, J. Knoester, S. Kirstein, J. Rabe and D. Vanden Bout, Nature Nanotech, vol. 4, pp. 658-663, 2009.

[83] H. Fidder and D. A. Wiersma, Phys. Stat. Sol. (B), vol. 188, pp. 285-295, 1995.

[84] I. G. Scheblykin, M. M. Bataiev, M. Van der Auwcraer и A. G. Vitukhnovsky, Chem. Phys. Lett., № 316, pp. 37-44, 2000.

[85] D. Chaudhuri, D. Li, Y. Che, E. Shafran, J. Gerton, L. Zang and J. M. Lupton, Nano Lett., по. 11, pp. 488-492, 2011.

[86] B. J. Walker, A. Dorn, V. Bulovic and M. G. Bawendi, Nano Lett., no. 11, pp. 2655-2659, 201 1.

[87] M. H. Бочкарев, А. Г. Витухноский и М. А. Каткова, Органические светоизлучательные диоды (OLED), Нижний Новгород: ДЕКОМ, 201 1.

[88] Р. Vasa, W. Wang, R. Pomraenke, M. Lammers, M. Maiuri, К. Manzoni, G. Cerullo and C. Lienau, Nature Photonies., vol. 7, pp. 128-132, 2013.

[89] «http://www.nufern.com/pam/optical_fibers/itcm/id/881,» [В Интернете].

[90] Д. В. Серебряков, Кварцевые камертоны в блиэ/снепольной оптической микроскопии и лазерной фотоакустической спектроскопии, Троицк: Диссертация на соискание ученой степени к. ф.-м. н., 2010.

[91] А. P. Cherkun, D. V. Serebryakov, S. К. Sckatskii, I. V. Morozov and V.

5. Letokhov, Rev. Sei. Instrum., vol. 77, pp. 033703-1 - 033703-7, 2006.

[92] E. И. Демихов и Ю. А. Туфлин, «Криостат с системой автоматического регулирования температуры». Россия Патент 37190, 31 Декабрь 2003.

[93] Е. И. Демихов, К. П. Мелетов, А. А. Гиппиус и Г1. Г. Наумов, ПТЭ, т.

6, pp. 141-142, 2008.

[94] Е. И. Демихов, К. П. Мелетов и С. И. Дорожкин, «Гелиевый криостат для оптических исследований». Росия Патент 88420, 21 Май 2009.

[95] V. Prokhorov, D. Klinov, A. Chinarev, A. Tuzikov, I. V. Gorokhova and N. V. Bovin, Langmuir, vol. 27, pp. 5879-5890, 2011.

[96] H. Gorner, T. D. Slavnova and A. K. Chibisov, J. Phys. Chem. B, vol. 114, pp. 9330-9337, 2010.